CN103427330A - 降低应力的激光器芯片结构和热沉结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低应力的激光器芯片结构，包括激光器芯片主体，激光器芯片主体具有正极和与外部电极电性连接的负极，正极上设置有多个发光部，并且发光部之间设置有第一凹槽，还包括热沉结构，热沉结构包括热沉主体，热沉主体的正面通过焊料层焊接在激光器芯片主体的正极上，在热沉主体的位于激光器芯片主体的第一凹槽相对应的部位上开有第二凹槽，并且该第二凹槽与第一凹槽一一对应。本发明不仅具有低的应力状态，弯曲度低，能够实现低应力或“无应力”封装，而且不影响激光器的导热能力，可保证激光器长时间工作。

Description

降低应力的激光器芯片结构和热沉结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种降低应力的激光器芯片结构和热沉结构及其制备方法，属于激光器制造领域。
背景技术
目前，半导体激光器又称激光二极管(Laser Diode)。随着半导体激光器技术的发展和进步，其输出功率、电光转换效率、可靠性和寿命在不断提高，可广泛应用于激光泵浦、激光加工、激光测距、科研和医疗等领域，市场需求巨大。
尽管半导体激光器技术已经有了快速的进步，但随着各应用领域的发展，对半导体激光器的性能提出了更高的要求。高品质的光纤耦合和光学整形产品要求半导体激光器芯片具有低的芯片弯曲度，即很小的“smile”效应，高可靠性、高稳定性和长寿命等特点。要保证高功率半导体激光器长期稳定工作，这给激光芯片本身和封装技术来了极大的挑战。
半导体激光器的性能除了与芯片有关外，还与其封装结构密切相关。目前，大多数的高功率半导体激光器巴条封装结构主要应用铜作为散热材料“Two-dimensionalhigh-power laser diode arrays cooled by Funryu heat sink”.SPIE，vol.889，66-70(2000))，虽然铜的热导率比较高，导热快，但其热膨胀系数却是激光芯片的2-3倍，在封装后会产生较大的应力施加于激光芯片上，导致半导体激光器巴条产生大的弯曲，smile值大，性能较低，也影响其输出特性和生产成本。为了提高高功率半导体激光器的性能，降低生产成本，必须设计出降低应力的热沉结构。
目前，大部分传导冷却和液体制冷高功率半导体激光器巴条芯片是贴在铜热沉的平面上，热沉表面是一个完整平面，没有与激光芯片发光点对应的凹槽结构，芯片与热沉之间是一层焊料。采用这种热沉结构封装后的半导体激光器巴条应力偏大，芯片易产生弯曲，严重限制了高功率半导体激光器巴条在光纤耦合和光学整形方面的应用。
综上所述，目前的封装热沉结构不能够完全满足高功率半导体激光器的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种降低应力的激光器芯片结构，它不仅具有低的应力状态，弯曲度低，能够实现低应力或“无应力”封装，而且不影响激光器的导热能力，可保证激光器长时间工作。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种降低应力的激光器芯片结构，包括激光器芯片主体，激光器芯片主体具有正极和与外部电极电性连接的负极，正极上设置有多个发光部，并且发光部之间设置有第一凹槽，还包括热沉结构，热沉结构包括热沉主体，热沉主体的正面通过焊料层焊接在激光器芯片主体的正极上，在热沉主体的位于激光器芯片主体的第一凹槽相对应的部位上开有第二凹槽，并且该第二凹槽与第一凹槽一一对应。
进一步，热沉结构还包括金属结构层，热沉主体的背面通过焊料沉镀在金属结构层上。
进一步，所述的热沉主体由金属或陶瓷或金刚石或金属基复合材料制成。
进一步，所述的热沉主体为多边形的片状或多边形的块状。
进一步，所述的多个第二凹槽为等间距排列状，第二凹槽的宽度d小于第一凹槽的宽度D，并且第二凹槽的宽度d为0.01mm～0.02mm。
进一步，所述的第二凹槽的长度大于第一凹槽的长度。
进一步，所述的第二凹槽的纵向深度h大于焊料层的厚度H。
进一步，所述的第二凹槽的截面为矩形或“V”形或半圆形或半椭圆形或梯形。
本发明还提供了一种热沉结构，该热沉结构包括热沉主体和金属结构层，热沉主体的正面通过焊料层焊接在激光器芯片主体的正极上，热沉主体的背面沉镀在金属结构层上，在热沉主体的位于激光器芯片主体的第一凹槽相对应的部位上开有第二凹槽，并且该第二凹槽与第一凹槽一一对应。
本发明还提供了一种热沉结构的制备方法，该方法的步骤如下：
1)选用材料加工成所需要的多边形片状或块状的基体；
2)将基体上贴激光器芯片的部位进行表面抛光；
3)在基体上贴激光器芯片的部位上加工出第二凹槽，形成热沉主体，并保证：a)第二凹槽的纵向与基体上贴激光器芯片的平面垂直；b)第二凹槽与激光器芯片发光部之间的第一凹槽一一对应；
4)在热沉主体的背面热沉镀金属结构层，完成整个热沉结构的制作。
本发明还提供了另一种热沉结构的制备方法，该方法的步骤如下：
1)选用材料加工成所需要的多边形片状或块状的基体；
2)在基体上贴激光器芯片的部位上加工出第二凹槽，形成热沉主体，并保证：a)第二凹槽的纵向与基体上贴激光器芯片的平面垂直；b)第二凹槽与激光器芯片发光部之间的第一凹槽一一对应；
3)将热沉主体上贴激光器芯片的部位进行表面抛光；
4)在热沉主体的背面热沉镀金属结构层，完成整个热沉结构的制作。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
1、本发明可使得激光巴条芯片封装后具有低的应力状态，弯曲度低，实现低应力或“无应力”封装，从结构上来讲，目前的激光器芯片大部分还是采用铟焊料封装在散热铜热沉上，为避免铟焊料在封装过程中产生空洞，影响激光器性能，铜热沉贴芯片表面加工成了没有凹槽的高精度完整平面；虽然铟焊料能够释放一份应力，但很多情况下还是造成激光器芯片，尤其是激光巴条产生弯曲，影响激光器的性能和长期寿命。另外，对于同种材料，某一方向的应力与该材料在该方向上的尺寸成正比，尺寸越大应力越大。因此，设计出凹槽结构可有效降低该方向上的应力，实现低应力分布。半导体激光芯片在封装时，在芯片底部的焊料从升温后的融化状态降低至室温的凝固状态过程中，热沉如常用的铜材料会和芯片一起收缩，虽然铜的热膨胀系数较芯片的大，收缩量也就会大，但采用了凹槽结构的热沉，相当于在其收缩方向长度减小，因此收缩量也就减小，这样应力也就相应的降低了。
2、本发明不影响激光器的导热能力，可保证大功率半导体激光器长时间工作；
3、本发明提高了激光器巴条封装后的性能和成品率，降低生产成本；
4、本发明提高了激光器的可靠性、稳定性和长期寿命。
附图说明
图1为本发明的降低应力的激光器芯片结构的第一种结构的结构示意图；
图2为本发明的降低应力的激光器芯片结构的第二种结构的结构示意图；
图3为本发明的热沉结构的第二凹槽的第一种结构的结构示意图；
图4为本发明的热沉结构的第二凹槽的第二种结构的结构示意图；
图5为本发明的热沉结构的第二凹槽的第三种结构的结构示意图；
图6为本发明的热沉结构的第二凹槽的第四种结构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，一种降低应力的激光器芯片结构，包括激光器芯片主体4，激光器芯片主体4具有正极6和与外部电极电性连接的负极7，正极6上设置有多个发光部9，并且发光部9之间设置有第一凹槽8，还包括热沉结构，热沉结构包括热沉主体1，热沉主体1的正面2通过焊料层5焊接在激光器芯片主体4的正极6上，在热沉主体1的位于激光器芯片主体4的第一凹槽8相对应的部位上开有第二凹槽3，并且该第二凹槽3与第一凹槽8一一对应。
热沉主体1由金属或陶瓷或金刚石或金属基复合材料制成。金属基复合材料可以采用铜和金刚石的复合材料。
热沉主体1为多边形的片状或多边形的块状。热沉主体1的厚度依靠散热能力而定。
多个第二凹槽3为等间距排列状，第二凹槽3的宽度d小于第一凹槽8的宽度D，并且第二凹槽3的宽度d为0.01mm～0.02mm。
第二凹槽3的长度大于第一凹槽8的长度。
第二凹槽3的纵向深度h大于焊料层5的厚度H，如第二凹槽3的纵向深度h大于10μm。
如图3～6所示，第二凹槽3的截面为矩形或“V”形或半圆形或半椭圆形或梯形，但不限于此，或者是其他多边形形状。
激光器芯片主体4为巴条芯片或微型巴条或由巴条芯片并联或者串联或者混联而成的芯片组。
一种热沉结构的制备方法，该方法的步骤如下：
1)选用材料加工成所需要的多边形片状或块状的基体；
2)将基体上贴激光器芯片的部位进行表面抛光；
3)在基体上贴激光器芯片的部位上加工出第二凹槽3，形成热沉主体1，并保证：a)第二凹槽3的纵向与基体上贴激光器芯片的平面垂直；b)第二凹槽3与激光器芯片发光部9之间的第一凹槽8一一对应；
激光器芯片的制备按照以下步骤执行：
首先根据激光器芯片的结构设计出降低应力的热沉结构，要考虑激光器芯片的长度、腔长宽度、各发光部之间间距和激光器芯片上正极p-metal面上各第一凹槽8的尺寸，使得热沉主体4上各第二凹槽3与激光芯片正极p-metal面上各第一凹槽8一一对应；
按照以上热沉结构的制备方法制备热沉结构；
再在加工好的热沉结构的正面上采用蒸发镀或化学镀的方法镀上所需的焊料层5，如铟、锡等；
将激光器芯片正极p-metal面放置于镀好焊料层的热沉结构的正面上，发光部9和第一凹槽8与热沉结构关键区域和第二凹槽3一一对应，激光器芯片的前腔面平行于热沉结构的前端面，并相对于热沉结构的前端面，避免激光器芯片严重突出或凹进去；
最后通过金丝键合或铜箔等方式焊接在激光器芯片的负极上，完成低应力高功率半导体激光器的封装。
实施例二
如图2所示，一种降低应力的激光器芯片结构，包括激光器芯片主体4，激光器芯片主体4具有正极6和与外部电极电性连接的负极7，正极6上设置有多个发光部9，并且发光部9之间设置有第一凹槽8，还包括热沉结构，热沉结构包括热沉主体1，热沉主体1的正面2通过焊料层5焊接在激光器芯片主体4的正极6上，在热沉主体1的位于激光器芯片主体4的第一凹槽8相对应的部位上开有第二凹槽3，并且该第二凹槽3与第一凹槽8一一对应。热沉结构还包括金属结构层10，热沉主体1的背面通过焊料11沉镀在金属结构层5上。
热沉主体1由金属或陶瓷或金刚石或金属基复合材料制成。金属基复合材料可以采用铜和金刚石的复合材料。
热沉主体1为多边形的片状或多边形的块状。热沉主体1的厚度依靠散热能力而定。
多个第二凹槽3为等间距排列状，第二凹槽3的宽度d小于第一凹槽8的宽度D，并且第二凹槽3的宽度d为0.01mm～0.02mm。
第二凹槽3的长度大于第一凹槽8的长度。
第二凹槽3的纵向深度h大于焊料层5的厚度H，如第二凹槽3的纵向深度h大于10μm。
如图3～6所示，第二凹槽3的截面为矩形或“V”形或半圆形或半椭圆形或梯形，但不限于此，或者是其他多边形形状。
激光器芯片主体4为巴条芯片或微型巴条或由巴条芯片并联或者串联或者混联而成的芯片组。
热沉结构的制备方法，该方法的步骤如下：
1)选用材料加工成所需要的多边形片状或块状的基体；
2)在基体上贴激光器芯片的部位上加工出第二凹槽3，形成热沉主体1，并保证：a)第二凹槽3的纵向与基体上贴激光器芯片的平面垂直；b)第二凹槽3与激光器芯片发光部9之间的第一凹槽8一一对应；
3)将热沉主体1上贴激光器芯片的部位进行表面抛光；
4)在热沉主体1的背面热沉镀金属结构层10，完成整个热沉结构。
或者采用以下制备方法制备热沉结构，一种热沉结构的制备方法，该方法的步骤如下：
1)选用材料加工成所需要的多边形片状或块状的基体；
2)将基体上贴激光器芯片的部位进行表面抛光；
3)在基体上贴激光器芯片的部位上加工出第二凹槽3，形成热沉主体1，并保证：a)第二凹槽3的纵向与基体上贴激光器芯片的平面垂直；b)第二凹槽3与激光器芯片发光部9之间的第一凹槽8一一对应；
4)在热沉主体1的背面热沉镀金属结构层10，完成整个热沉结构的制作。
激光器芯片的制备按照以下步骤执行：
首先根据激光器芯片的结构设计出降低应力的热沉结构，要考虑激光器芯片的长度、腔长宽度、各发光部之间间距和激光器芯片上正极p-metal面上各第一凹槽8的尺寸，使得热沉主体上各第二凹槽3与激光芯片正极p-metal面上各第一凹槽8一一对应；
按照以上热沉结构的制备方法制备热沉结构；
再在加工好的热沉结构的正面上采用蒸发镀或化学镀的方法镀上所需的焊料层5，如铟、锡等；
将激光器芯片正极p-metal面放置于镀好焊料层的热沉结构的正面上，发光部9和第一凹槽8与热沉结构关键区域和第二凹槽3一一对应，激光器芯片的前腔面平行于热沉结构的前端面，并相对于热沉结构的前端面，避免激光器芯片严重突出或凹进去；
该贴好激光器芯片的载体结构再使用焊料11焊接接到一个散热优良的金属结构层(如铜)上10，这样的好处是该金属热沉就可以不带电工作，可满足有些特殊的应用需求；
最后通过金丝键合或铜箔等方式焊接在激光器芯片的负极上，完成低应力高功率半导体激光器的封装。
本发明的工作原理如下：
半导体激光芯片在封装时，在芯片底部的焊料从升温后的融化状态降低至室温的凝固状态过程中，热沉如常用的铜材料会和芯片一起收缩，虽然铜的热膨胀系数较芯片的大，收缩量也就会大，但采用了凹槽结构的热沉，相当于在其收缩方向长度减小，因此收缩量也就减小，这样应力也就相应的降低了。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种降低应力的激光器芯片结构，包括激光器芯片主体(4)，激光器芯片主体(4)具有正极(6)和与外部电极电性连接的负极(7)，正极(6)上设置有多个发光部(9)，并且发光部(9)之间设置有第一凹槽(8)，其特征在于：还包括热沉结构，热沉结构包括热沉主体(1)，热沉主体(1)的正面(2)通过焊料层(5)焊接在激光器芯片主体(4)的正极(6)上，在热沉主体(1)的位于激光器芯片主体(4)的第一凹槽(8)相对应的部位上开有第二凹槽(3)，并且该第二凹槽(3)与第一凹槽(8)一一对应。
2.根据权利要求1所述的降低应力的激光器芯片结构，其特征在于：所述的热沉结构还包括金属结构层(10)，热沉主体(1)的背面通过焊料(11)沉镀在金属结构层(5)上。
3.根据权利要求1所述的降低应力的激光器芯片结构，其特征在于：所述的热沉主体(1)由金属或陶瓷或金刚石或金属基复合材料制成。
4.根据权利要求1所述的降低应力的激光器芯片结构，其特征在于：所述的热沉主体(1)为多边形的片状或多边形的块状。
5.根据权利要求1所述的降低应力的激光器芯片结构，其特征在于：所述的多个第二凹槽(3)为等间距排列状，第二凹槽(3)的宽度d小于第一凹槽(8)的宽度D，并且第二凹槽(3)的宽度d为0.01mm～0.02mm。
6.根据权利要求1所述的降低应力的激光器芯片结构，其特征在于：所述的第二凹槽(3)的长度大于第一凹槽(8)的长度。
7.根据权利要求1所述的降低应力的激光器芯片结构，其特征在于：所述的第二凹槽(3)的纵向深度h大于焊料层(5)的厚度H。
8.一种热沉结构，其特征在于：它采用如权利要求1至7中任一项所述的降低应力的激光器芯片结构中的热沉结构。
9.一种热沉结构的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1)选用材料加工成所需要的多边形片状或块状的基体；
2)将基体上贴激光器芯片的部位进行表面抛光；
3)在基体上贴激光器芯片的部位上加工出第二凹槽(3)，形成热沉主体(1)，并保证：a)第二凹槽(3)的纵向与基体上贴激光器芯片的平面垂直；b)第二凹槽(3)与激光器芯片发光部(9)之间的第一凹槽(8)一一对应；
4)在热沉主体(1)的背面热沉镀金属结构层(10)，完成整个热沉结构的制作。
10.一种热沉结构的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1)选用材料加工成所需要的多边形片状或块状的基体；
2)在基体上贴激光器芯片的部位上加工出第二凹槽(3)，形成热沉主体(1)，并保证：a)第二凹槽(3)的纵向与基体上贴激光器芯片的平面垂直；b)第二凹槽(3)与激光器芯片发光部(9)之间的第一凹槽(8)一一对应；
3)将热沉主体(1)上贴激光器芯片的部位进行表面抛光；
4)在热沉主体(1)的背面热沉镀金属结构层(10)，完成整个热沉结构的制作。
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